理论化学在中国的发展

檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾殧殧殧殧进展评述
理论化学在中国的发展#江元生黎书华（南京大学化学化工学院南京210093）#“国际化学年在中国”特邀论文
2011-04-06收稿，2011-04-10接受摘要本文回顾1949年以来，我国理论化学的发展历史。

全文始于“荒漠渐成绿洲”的总体概括，进入主体全面的论述。

按1978年划分为前、后两期。

前期为学科的成长成熟期，以创业人及少数从业者的科教活动为中心，后期为学科的繁荣期，以本学科现阶段中青年精英创造佳绩、进入学科主流领域为中心。

按时间进程将前后期最有代表性的10个方面研究成就进行评述。

总结过去，展望未来，提岀加强高校理科化学专业的基础教学和实现物化学科（含理论化学）培训目标的建议。

关键词理论化学量子化学配位场理论分子轨道图形理论价键理论中国Development of Theoretical Chemistry in China Jiang Yuansheng ，Li Shuhua （School of Chemistry and Chemical Engineering ，Nanjing University ，Nanjing 210093）Abstract The history of theoretical chemistry in China has been traced back since 1949.Starting from the original sterile state ，the theoretical chemistry has gradually grown up into oasis with remarkable advances in some aspects．The development of theoretical chemistry can be divided into two periods with the year of 1978as the boundary．The early growing-up time is marked by the research and teaching contributions from the pioneer （as supervisor ）and his students ，and the latter booming time is being depicted by young generation ，who made progress in main stream of theoretical chemistry．The advances in 10typical aspects are reviewed in time sequence．By the end of this review ，some outlooks and suggestions are given ，especially for strengthen of fundamental teaching of chemistry department in universities and the training of physical chemistry （including theoretical chemistry ）．Keywords Theoretical chemistry ，Quantum chemistry ，Ligand field theory ，Graph theory of molecular orbitals ，Valence-bond theory ，China 1
理论化学量子化学产生于人们对化学键本质的追求，即什么作用力使原子结合为分子。

虽然1916年，化学家Lewis 提岀过2个原子共享1对电子成为分子的共价键思想，但只当物质运动的两相性（粒子性与波
性）共存被揭示、量子力学诞生（1924 1926）后，科学家才能获得正确的观点和认识。

1927年，
Heitler 和London 用量子力学方法成功地计算了氢分子的平衡键长和解离能，奠定了化学键理论的量子基础，开创了人类认识原子、分子世界运动规律的新纪元［1］。

价键（VB ）理论、分子轨道（MO ）理论和晶体（配位）场理论成为初期阶段这一领域的3种平行对峙、同时又相互补充的理论方法。

价键理论以键连原子轨道对自旋反平行作为化学键变分函数，恰当地表征了双中心化学键中电子的相互作用：库仑相关与自旋相关效应，赋予电子定域及近似可迁属性，其图象接近化学实际［2］
；但原
子轨道的非正交性与其多电子波函数的复杂性造成的数学困难，严重阻碍后续发展，极难定量化，长期
停滞于定性应用。

分子轨道理论立足于离域的正交分子轨道作为变分函数，计算上优势明显，因而发展迅速［3］。

20世纪30年代，Hartree和Fock已提岀原子的自洽场（HF）方案，使原子结构计算半定量化；40年代末，Roothaan实现分子旳HF计算方案，将分子轨道理论转变成实用的计算方法。

后来，为了考虑HF方法中缺失的电子相关效应，又发展了多体微扰理论、多组态自洽场、耦合簇等更高精度的计算方法。

与此同时，密度泛函理论（DFT）的创立，使多体问题的髙维特征极大地简化，体系的基本变量为三维电子密度，基态能量由电子密度完全确定［4］。

现行DFT计算方法是由Kohn和Sham在1965年发展的。

但DFT方法包含不合理的自相互作用以及经验的交换相关势，有待进一步解决。

1929年，Bethe发表晶体中离子能级分裂的理论，与分子轨道理论结合后，成为配位场理论［5］，用于解释配合物磁性，指认光谱及立体构型。

此理论在无机化学中得到了广泛应用。

利用量子力学解释化学反应的工作始于20世纪30年代，Polanyi和Erying研究交换反应H+H
→
2
H
+H的位能面，过渡态以鞍点形式岀现在位能面上；随后，Erying与孙承谔等对该位能面作了定量计2
算，1935年，Erying等提出过渡态及绝对反应速率理论，成为化学家定性或半定量了解化学反应的工具。

与此同时，通过求解核运动的波动方程可得3原子或4原子化学反应的核运动轨迹，定量确定反应的速率常数等动力学信息，深入认识反应的微观本质。

这方面的工作构成分子反应动力学［6］。

电子相互作用诱发原子间形成化学键，产生分子。

类似地，分子间相互作用诱导凝聚体系的气、液、固态的转变以及超分子的形成。

借助量子力学（QM）、分子力学（MM）和统计力学相结合的分子模拟方法［7］有效地打开了材料研制、药物设计、化工过程等的理论信息窗口，成为理论化学的另一重要分支。

综上所述，量子化学（电子结构）、分子反应动力学和统计力学（分子模拟）是现今理论化学的三大支柱。

2中国的理论化学研究
1949年新中囯成立前，理论化学研究是一片荒漠。

这是因为理论化学研究旨在藉助推理、计算和总结手段，解释有关现象，发展系统性原理。

因此，它需要从业者不仅具有丰富的化学知识，而且还具备坚实的数理功底。

由于教学的缺失，未能造就这样较全面的人才从事耕耘所致。

1950年唐敖庆先生回国，任教北京大学化学系，主讲大一普通化学（以元素周期表和原子壳层结构为主线），另开大二化学数学。

他发表的有关杂化轨道、分子内旋转问题的论文，开创了理论化学教学与研究之先河［8，9］。

1953年，唐敖庆先生任教东北人民大学（现吉林大学），为首届招收的理论化学研究生开课2年，系统讲授基础理论课，涉及数学、宏观热力学和动力学、量子化学和统计力学等。

一些外校进修教师和中国科学院长春应用化学研究所的研究人员前来旁听，成为国内首批理论化学的从业人才。

在此基础上，1963 1965年经教育部批准，主办了物质结构（高级）学术讨论班［10］，来自有关大学的正式学员8名（5名副教授和3名讲师）和一批旁听的学员参加。

正式学员一边听课一边作研究，还轮流报告囯外量子化学新进展。

2年中就取得晶体场理论的好结果，着手著述专著《配位场理论方法》［11］。

其后学员返校，成为理论化学研究的学术骨干，佳绩频传［9］。

1978年，唐先生举办了为期2年的更大规模的量子化学进修班，有100多名学员参加（高校的研究生、教师和中国科学院有关研究人员），对普及和推动我国的理论化学教学和研究起到很大的作用。

20世纪90年代，一批青年从国外学成归来，加入理论化学教学与科研队伍，从此荒漠渐成绿洲。

近年来，国内理论化学走岀低谷的显著特征是：一批青年学术精英显露头角［12］，不仅发表高质量论文，为主流刊物撰写综述，还不断应邀在重要的国际会议上作学术报告，并领取国际性奖项。

2008年在澳大利亚召开的国际理论与计算化学家大会（WATOC）破记录地有6位中囯学者（本土5位、香港1位）作邀请报告，开创了新世纪的崭新一页［13］。

2010年的夏威夷泛太平洋国际会议上，4位大陆青年学者参与分会的主持［14］，彰显国际同行的认同，也象征着我国新一代理论化学家正步入国际先进行列。

可喜的局面激励我们写作此文，认真总结建国以来理论化学的重要成就。

2.1小分子量子化学
小分子的量子理论研究，常可导岀解析公式和接近实验的计算结果。

有机分子内键连基团的相对转动导致构型变化和对热力函数不可忽视的贡献。

美国化学家Pitzer针对当时乙烷分子丰富的微波光谱数据，总结岀内旋转势函数经验公式，形式简单，但运动本质（驱动力）认识不淸。

唐敖庆根据化学键间相互作用的静电模型，借助Fourier变换推导岀烃类分子和衍生物的内旋转势函数的普适公式［15］，与Pitzer经验式相一致，论证了各同系分子势函数的关系。

论文发表于1954年《中国科学》，当即得到苏联物理学家Volkenstein的肯定，整页引述于其专著［16］。

1957年，此项研究获中国科学院颁发的自然科学三等奖。

的波动方程严格解，但三体中库仑势造成的数学困难极难克服，他长期坚持，邓从豪求解He和H+
2
直到晚年（上世纪90年代），才与张瑞勤、边文生等青年同事合作，用超球坐标法得到He原子的基态能量计算值，与实验值的误差仅为10万分之一原子单位［17，18］。

受到国内外同行好评，获国家自然科学三等奖。

此外，他还提岀反应散射轨道线性组合方法，用于计算分子动力学中的反应几率和截面。

2.2配位场理论
20世纪60年代，配位场理论进入快速发展之中。

1963 1965年，唐敖庆主持物质结构学术讨论班，与其骨干成员（邓从豪、张乾二、鄢国森、江元生、戴树珊、孙家钟）创造性地发展和完善了配位场理论［19］。

他们以群论为工具，成功地将中心原子的球对称波函数约化为点群对称波函数。

邓从豪、张乾二引入分割系数，表征群与子群之间的约化关系；江元生和戴树珊构建了完整的点群偶合系数，两者相结合使配合物分子的计算公式与原子的计算公式一致，实现了配位场理论方法的标准化，并完成了弱场方案的计算，给岀完整公式和能量矩阵的有关计算表格。

此外，张乾二和鄢国森完成了强场、弱场2种方案的转换；江元生和戴树珊建议了点群下计算旋-轨偶合作用能的新方案；孙家钟论述了分子壳模型。

以这些成果为基础编写了专著《配位场理论方法》［11］，1982年获国家自然科学一等奖。

2.3分子轨道图形理论
简单分子轨道理论（HMO）图象简单，易于掌握，在有机化学中有广泛应用。

20世纪70年代，化学家追踪同系分子封闭公式的获得，计算过程仍很繁琐。

因此，借助直观且形象化的方法获得π电子体系的推理结果，备受关注。

1974年以来，唐敖庆、江元生着手分子轨道图形理论研究。

他们从“分子图”出发，把本征方程的展开步骤变为割键和去掉局部链段的直观过程，取得看图识字的效果［20］。

类似技巧也适用于分子轨道及对称性约化，概括为3条定理［21，22］。

20世纪80年代初，江元生创立了图形收缩方法［23］，推导出总能量［24］、前沿能级［25］、成键轨道数［26］和同谱分子［27］等图不变量的解析结果，从结构上深化了对共轭分子的稳定性和反应活性的认识。

江元生继而又提出芳香性5参数方案［28］，解释共轭分子的芳香性，与实验符合。

这些结果引起众多国际同行热议，被称为“中国学派”［29］。

美国学者Klein 等写专文，用9页篇幅对5参数方案进行评论，肯定其优点［30］。

Smaltz将此方案移植于Hubbard多电子芳香性模型理论中，加以推广和应用［31］。

分子轨道图形理论方法及其应用于1987年获国家自然科学一等奖。

对于简单分子轨道理论，张乾二等建议了另一种方法［32］，即先求轨道系数，后计算本征方程，并通过图形约化技巧获得共轭分子能谱。

他们还发展了一种构造多面体分子轨道的群论方法。

2.4价键理论
1986年以来，张乾二等引入“键表”波函数，借助群论，推导出有关的耦合系数，构建变分波函数，进行小分子的价键理论从头计算［33 35］。

同行反应良好，1989年获国家自然科学二等奖。

此后，吴玮等不断更新方法、改进算法，推岀适于中小分子进行价键理论研究的计算程序包Xiamen Valence Bond（XMVB）［36，37］，被国际上一些研究小组釆用，并于2001年获教育部自然科学一等奖。

与此同时，他们通过国际合作，进行一些化学键理论问题的探讨，给岀了合理解释［38 40］。

江元生等在经典价键理论框架内，利用矩阵三对角化和波函数编码技巧，精确计算了一系列中等共轭分子（30π电子，价键理论计算的上限）［41，42］，进而利用密度矩阵重整化群方法实现了准一维共轭大
分子体系的高精度计算［43，44］。

他们讨论了这些共轭分子的键长、反应活性、磁性耦合常数和芳香性等，给出了与实验相符的理论解释，其中，局域芳香性被国际同行作为标准数据引用［45］。

另有同行大段引述其他结果，并称之为价键理论的复兴［46］。

2.5相对论量子化学
对于含重元素体系，必须求解四分量相对论Dirac方程才能解释它们的成键特征和反应机理等。

基于相对论具有空间局域性，且原子间相互作用对原子轨道大、小分量的比例关系影响甚微的特点，刘文剑根据“用原子合成分子”思想来简化相对论量子化学计算［47，48］。

他与Kutzelnigg合作发展了精确准相对论方法，超越前人，使得二分量准相对论方法在计算精度上接近四分量完全相对论计算［49，50］。

他还提出了绝热近似下含时密度泛函理论的统一形式［51］和高精度近似形式［52］，并相应地开发了有自主知识产权的量子化学程序包BDF，可以进行非相对论，单分量、二分量以及四分量相对论密度泛函计算。

因在相对论量子化学方面的突出贡献，刘文剑获得了2006年度“国际量子分子科学院奖”和亚太理论与计算化学家协会颁发的2006年度“Pople奖”。

核磁共振（NMR）屏蔽常数属于内禀相对论性质，需要四分量完全相对论处理。

近年来，刘文剑提出了3种计算NMR屏蔽常数的有效算法［53 55］，获得国际同行的肯定［56］。

他的方法也可用于其他核磁性质的计算，从而使得核磁性质的相对论计算变得与电性质同样容易。

2.6电子结构理论和计算方法
黎书华将价键理论思想引入高精度分子轨道方法，将离域轨道转变成局域，简化了各种级别的分子轨道计算方案，达到了线性标度化。

基于分子片能量和局域分子轨道在同系化合物中的可迁性，黎书华等提出了能量的分子片方法［57，58］和“分子中的簇”局域相关方法［59，60］，将从头计算推广到大分子体系。

前者将大分子体系的基态能量或性质计算简化为对一系列子体系的相应计算，后者将大分子的相关能计算化解为对一些局域轨道簇的相关能计算。

这两类方法极大地拓宽了高精度量子化学计算的应用范围（如生物大分子、纳米管、分子簇的几何结构优化、振动光谱、热力学性质等）；它们均领先于国际上同类方法，得到较多引用。

对于自由基、反应中间体等亚稳分子，必须考虑多参考（简并）特征，釆用耦合簇计算方案。

黎书华通过引入“块电子态”作为波函数的构造单元，发展了独特的多参考块相关耦合簇新方法［61，62］。

进一步又利用引入部分高激发组态，更新了单参考耦合簇计算方法［63，64］。

这两类方法使一些反应势能面的计算接近量子动力学所需要的精度，引起了国际同行的关注［65］。

由于在发展大分子线性标度算法和多参考电子相关方法方面取得重要成就，黎书华获2008年度亚太理论与计算化学家协会Pople奖和第11届中国青年科技奖。

徐昕等提出了一个新的泛函（X3LYP），显著地改进B3LYP泛函对于氢键和范德华力的描述［66，67］，被Gaussian09［68］等多个国际通用软件采用。

最近，他又提出了新一代的高精度普适泛函XYG3［69］。

这是一个三参数的交换和关联双杂化泛函，对于反应能垒和弱相互作用等各个方面均能提供比目前通用泛函（如B3LYP）更高的精度，但计算量较通用泛函也显著增加。

杨金龙等将前人提出的“迹修正方法”线性标度算法从自旋限制体系扩展到自旋极化体系［70］。

他还发展了新的线性标度算法，计算前线轨道［71］和周期性固体的Wannier函数［72］以及外加电场下的周期性固体的电子结构［73］。

文振翼充分应用酉群和置换群来简化多参考组态相互作用的计算［74，75］，取得了比前人更高的计算效率。

他研发的程序包Xi’an-CI可用来进行大规模的多参考组态相互作用计算。

2.7多原子体系量子动力学
近年来，张东辉等通过进一步发展含时波包动力学方法，结合高精度势能面的构造，对一系列小分
体系目前最为精子化学反应进行了深入研究，深化了对反应机理的认识。

他和谢代前等构造了F+H
2
/HD反应共振态研究达到了光谱精度［76，77］。

他发展了基于反应物坐标的量子动确的势能面，使F+H
2
力学方法，实现了复杂三原子体系态-态动力学方法研究，扩展了RPD方法以研究三原子非绝热态-态动
力学，并发展了有效的量子波包算法，实现了四原子态-态动力学的精确计算［78］。

他还构造了H+CH
4体系精确的势能面，使多原子反应动力学研究进入了一个定量的水平［79］。

韩克利等发展了非绝热含时波包动力学方法，研究了一系列三原子反应的基态和激发态动力学，探讨了电子的非绝热耦合势对反应几率的影响［80 83］。

为研究复杂分子体系的量子动力学，人们发展了多种量子动力学半经典近似方法。

邵久书与Makri 合作发展了无指前因子的前向-后向半经典方法，可获得量子效应较弱的多维体系动力学信息［84，85］。

他们还提出了将此方法与准确量子力学计算相结合的方案，可用于描述量子特征明显的多维体系动力学过程［86］。

2.8有机光电功能材料的理论研究
帅志刚长期从事光电功能材料的性能预测与分子设计，针对影响光电性能的关键因素：载流子传输、非线性光吸收截面和光伏转换效率等，发展一系列理论计算方法，包括：（1）导出了超越前人、普适的激发态无辐射跃迁速率公式，对聚集诱导发光实验的最新结果给出了定量解释［87，88］；（2）结合电子转移理论与统计模型，发展了直接计算有机半导体内禀电荷迁移率的新方法，用于高迁移率有机材料的设计［89，90］；（3）针对非线性光学响应的修正矢量法，编制相应的计算程序，计算有机分子的非线性光吸收截面［91］；（4）由电激发过程中电荷复合动力学的理论计算，指出高分子的电致发光内量子效率可以超过25%的自旋统计极限［92］。

帅志刚于2008年当选为国际量子分子科学院院士。

梁万珍和赵仪等将含时密度泛函理论与相关函数方法结合，系统地发展处理谐振子和非谐振子模型的计算方法及程序，研究了柔性的有机高聚物的吸收和发射谱，以及激子的激发态动力学等［93］。

他们还进行了快速的传播子方法研究，求解含时的Kohn-Sham方程，阐明吸收光谱、模拟电子的超快动力学过程等［94］。

2.9反应机理的量子化学研究
20世纪80年代，刘若庄、付孝愿等采用半经验和从头计算方法，对烯烃加成、异构化及光化学反应机理进行理论计算［95 97］，开拓我国这一领域的研究，1989年获国家自然科学三等奖。

20世纪90年代，方维海、刘若庄等对羰基化合物的光解离反应进行系列计算和论证，阐明了不饱和羰基化合物光异构和光解离的微观规律性［98，99］，概括为化学键光解离的选择性新规则，修正了教科书中的传统观点，为最新光化学丛书所摘引［100，101］。

方维海等对芳香族羰基化合物深入地研究，预言暗态的特性，指岀这类光化学反应共同的结构特征是3个电子态的势能面同时相交［102，103］。

他们先后于2003和2009年2次获教育部自然科学一等奖。

固体表面或蛋白环境中的催化反应机理是理论化学的另一重要应用研究领域。

刘智攀、范康年等将密度泛函理论与巨正则蒙特卡罗方法相结合，系统地研究了费托合成过程中长碳链与甲烷生成的选择性问题，成功解释了相关的实验结果［104］。

他们还研究了在Pt基表面的乙醇燃料电池选择性问题，预测了不同晶面的催化性能［105，106］。

徐昕等以氧化物小簇模拟负载的氧化物催化剂，系统研究了过渡金属端氧化合物对甲烷和丙烷的选择氧化反应［107 109］。

陈兆旭研究了铜表面的水煤气变换反应机理［110］和PdZn合金表面上的甲醇水蒸气重整机理［111］。

曹泽星等研究了固氮酶、磷酸葡萄糖异构酶等一系列金属酶体系的结构特征与反应机理，阐明了酶催化过程中的蛋白质动力学效应和保守残基调控酶催化活性的结构本质［112 114］。

他们开拓了我国现代催化理论的研究，发展势头强劲。

2.10凝聚体系的分子模拟
单分子的量子化学计算方法不能直接用来处理时空尺度增大的凝聚体系（分子聚集体）。

与此相伴随，体系的稳定性条件不再是能量最低，而是自由能取极小值。

分子模拟方法恰当地运用经典力学或量子力学及其动力学描述凝聚物质的运动状态，结合统计力学，通过模型化的分子聚集体，计算凝聚体系的平均性质，获得各种与实验相对应的平衡与动态物理量，在材料科学、生物物理、化学化工等领域中扮演重要的角色。

分子力学计算方案中的静电参数传统地采用固定的原子电荷，忽略了介质和分子产生的瞬时极化
作用，亟待改进和优化。

发展快速普适的可极化分子力场是当前分子模拟中的前沿课题。

杨忠志将原子-键电负性均衡方法融入分子力学，发展涨落电荷的可极化力场—ABEEM/MM［115，116］，计算得到的生物分子的相对构象能量差与从头算量子化学计算结果相一致，他的工作得到国际同行的肯定［117］。

马晶等将量子化学分子片线性标度方法［57，58，118］和分子力场结合起来，引入基于分子片段的静电（偶极矩）参量，发展从头算可极化模型，其静电参量直接来源于量子化学计算，无需经验拟合，切实提高了分子力场的计算精度［119］。

为了将分子模拟从原子尺度拓展到介观尺度，国内一些研究组也开始发展新的“粗粒化”模型，将分子中的结构单元用1个粗粒化原子团来代替，减少系统的自由度，缩减计算量，以实现更长时空尺度下的分子模拟。

其中，吴云东等将肽链上的氨基酸作为“粗粒子”［120］，而吕中元等则将高分子链进行粗粒化［121］，开展生物大分子构象和高分子聚集行为的粗粒化模型研究。

在理论化学的某些领域，我国还有一些值得介绍的研究成果，限于本文的篇幅，不能一一叙述。

3展望
当前，我国理论与计算化学发展的形势良好，研究方向基本覆盖了所有主流领域。

中国科学家不断做出了具有国际先进水平、有重要影响的工作，但整体上与国际相比，理论方法的研究力量相对薄弱，不利于学科的可持续发展。

我们需要更多的优秀青年充实到这个领域，着重发展复杂体系的电子结构计算方法、凝聚相的动力学理论和统计力学相关的模拟技术，特别注重新概念、新思想、新方法的提出。

在计算化学应用方面我们也取得了许多成果，今后要更加紧密地与实验，特别是与国内的重要实验研究项目相结合，合力推动我国化学学科的整体发展。

实现上述继往开来宏图的关键，在于教育。

2010年公布的学生基础能力（数学、科学和阅读）国际测试结果中，我囯上海的学生包揽所有单项第一而夺冠，是何等优秀的民族！相对而言，国内大学教育远远落后，应认真改革，加强和提高大学本科和研究生的基础课教学水平，尤其对物理化学（包括理论化学）专业学生，必须大力加强数理课程教学，培养既有广博化学知识，又具较强数理功底的合格人才。

致谢作者衷心感谢方维海、吴玮、张东辉、曹泽星、陈兆旭等教授为本文提供素材，感谢南京大学马晶、马海波、李伟等在撰文中给予的大力帮助。

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